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一種高效同步boost電路

2016年微型機(jī)與應(yīng)用第13期

石易立

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，江蘇南通 226010）

摘要： boost升壓電路在電子電路設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。文章提出一種新型同步boost電路,，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能突出,。用Cadence軟件進(jìn)行模擬仿真，系統(tǒng)頻率為100 kHz,，3.3 V輸入,，5 V/2.5 A輸出，效率達(dá)到95%,。

關(guān)鍵詞： Boost電路同步整流高效

Abstract：

Key words :

　　石易立

　?。贤ê竭\(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，江蘇南通 226010）

摘要：boost升壓電路在電子電路設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用,。文章提出一種新型同步boost電路,，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能突出,。用Cadence軟件進(jìn)行模擬仿真,，系統(tǒng)頻率為100 kHz,，3.3 V輸入，5 V/2.5 A輸出,，效率達(dá)到95%,。

　　關(guān)鍵詞：boost電路；同步整流,；高效

0引言

　　boost電路在電子電路設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用,，特別是各種電源電路和太陽(yáng)能控制電路中，例如MPPT太陽(yáng)能控制器最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）,、移動(dòng)電源領(lǐng)域等,。高效率、高頻率和小型化一直是其追求的目標(biāo),。由于boost電路中包含電容電感等非線性器件,，這些對(duì)高性能的boost電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多不確定性和難度，也使高效boost電路設(shè)計(jì)成為研究的熱點(diǎn)之一,。本文提出了一種同步boost電路,，采用一些新型結(jié)構(gòu)使得電路的基本指標(biāo)達(dá)到要求，性能得到一定改善,。

1boost電路原理

　　boost電路基本原理如圖1所示,。

　　圖1中,當(dāng)MOS管Q導(dǎo)通時(shí),電源給電感L充電;當(dāng)MOS管Q截止時(shí)，電感L電流通過電容C和二極管D給電容充電,。如此往復(fù),，電容電壓達(dá)到一穩(wěn)定值。MOS管Q的導(dǎo)通截止由方波信號(hào)PWM控制,。設(shè)PWM信號(hào)的占空比為D，則輸出電壓Vout=Vin·11－D,，因?yàn)镈＜1,，所以該電路能實(shí)現(xiàn)升壓的功能。PWM信號(hào)由專用電路產(chǎn)生,，它的頻率決定了電感L的大小,。一般希望電感越小越好，所以在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中希望得到較高的PWM信號(hào)頻率,。同時(shí)為得到較高的電壓精度,，電容C也希望設(shè)置得越小越好。通常流經(jīng)二極管D的電流就是電感電流,，在大功率場(chǎng)合,，這個(gè)電流會(huì)比較大，從而二極管上的功耗會(huì)很大,，使得整個(gè)boost電路的效率大大降低,。為改變這一狀態(tài),，顧亦磊等人提出了同步boost電路的概念［1］，將二極管用另一個(gè)MOS管取代,，整體功耗得到了很大的改善,。

2同步電路boost電路原理

　　同步boost電路基本原理如圖2所示?！　?/p>

　　與圖1相比,，圖2中用MOS管Q2取代了二極管D。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)Q2截止,，Q1截止時(shí)Q2導(dǎo)通,，Q2取代了二極管的功能。由于Q1,、Q2導(dǎo)通時(shí)都可以讓其處于飽和導(dǎo)通［2］,，這樣Q2管上的功耗將大大降低，提高了整體效率,。這樣一種同步導(dǎo)通截止的電路就稱為同步boost電路,。其詳細(xì)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。圖3中AC為PWM信號(hào)源產(chǎn)生高電平為5 V,、低電平為0 V的方波信號(hào),。Vcc為電源電壓5 V。Q4,、R3,、R4組成簡(jiǎn)單反向器［3］。當(dāng)AC為高電平時(shí),，Q4飽和導(dǎo)通,，集電極輸出低電平，Q3導(dǎo)通,。當(dāng)AC為低電平時(shí),，Q4截止，集電極輸出高電平,，Q3截止,。從而使當(dāng)AC為高電平時(shí)，Q5截止,，Q2截止,，Q3導(dǎo)通，Q1導(dǎo)通,，電感充電,；當(dāng)AC為低電平時(shí)，Q5導(dǎo)通,，Q2導(dǎo)通,，Q3截止,，Q1截止，電感放電,，電容充電,。實(shí)現(xiàn)了boost電路的基本功能?！?/p>

　　事實(shí)上,，這樣的同步boost電路的同步性卻不盡如人意。在Q1導(dǎo)通時(shí),，Q2并不能很好地同時(shí)截止,，反過來(lái)，Q2導(dǎo)通時(shí),，Q1也不能真正地同時(shí)截止［1］,。它們之間的這種時(shí)間差會(huì)在Q1、Q2,、C回路中產(chǎn)生較大的電流和功耗,。產(chǎn)生的原因主要是因?yàn)橐还軐?dǎo)通時(shí)另外一管不能很快地截止。在Q1,、Q2 MOS管的G極與S極之間存在一定的結(jié)電容,，當(dāng)VGS=5 V時(shí)，GS結(jié)電容充滿電,，而當(dāng)VGS=0 V時(shí),，GS結(jié)電容通過電阻R1、R6放電,，CGS與R1(或R6)組成一個(gè)RC放電回路［4］,。放電的快慢直接決定了MOS管的關(guān)斷速度。放電越快MOS管的關(guān)斷速度越快,，放電越慢MOS管的關(guān)斷速度越慢,，所以只有當(dāng)時(shí)間常數(shù)τ=RC比較小、放電快時(shí)才能帶來(lái)很好的一致性,。當(dāng)結(jié)電容處于一個(gè)較為一致的水平時(shí)，降低電阻R就成了一個(gè)有效的手段,。雖然當(dāng)電阻R1,、R6降到一定程度時(shí)，一致性可得到有效的改善,，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)新的問題,，過小的R1、R6會(huì)使R1,、R6上面的功耗變得非常大,，同樣影響整體效率,。一個(gè)進(jìn)一步改進(jìn)的辦法是用新的MOS管取代電阻R1、R6,。

3改進(jìn)型同步boost電路

　　改進(jìn)型同步boost電路如圖4所示,。　

　　圖4中用兩個(gè)MOS管（Q8,、Q9）及其驅(qū)動(dòng)電路（Q6,、Q7）取代圖3中的R1、R6,。通過電路分析可以得到,，當(dāng)AC為高電平時(shí)，Q6截止,，Q8截止,，呈現(xiàn)高阻態(tài)，Q1導(dǎo)通,；同時(shí)Q7導(dǎo)通,，Q9導(dǎo)通，呈現(xiàn)低阻態(tài),，Q2的CGS迅速放電,，Q2迅速關(guān)斷，與Q1的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)了良好的一致性,。同時(shí),，AC高電平時(shí)，Q5又處于截止?fàn)顟B(tài),，Q9中沒有電流流過,，Q9的低阻態(tài)不會(huì)引起功耗的上升，很好地解決了圖3中R1,、R6低阻值時(shí)帶來(lái)的溫升,。反之，AC低電平時(shí),，Q7截止,，Q9截止，Q2導(dǎo)通,；另一端的Q6導(dǎo)通,，Q8低阻態(tài)，Q1迅速關(guān)斷,。如此往復(fù),，Q1、Q2交替導(dǎo)通,、截止,，實(shí)現(xiàn)了boost電路升壓的基本功能又降低了功耗,，提高了整體性能。

4模擬仿真

　　結(jié)合上述原理,，最后用Cadence軟件模擬了圖4中boost電路的工作過程,。電路中Q1、Q2采用IRF3205,，Q8,、Q9采用IRF320。電感選擇0.5 mH,，電容選擇0.5 mF,，PWM頻率100 kHz，上升沿下降沿時(shí)間各為200 ns,。輸入電壓設(shè)為3.3 V,，其余電路參數(shù)已在圖4中標(biāo)出。